基于STC单片机和传感器的LED智能照明控制系统

发表于 2013-05-07 11:44:28 收藏 已收藏
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基于STC单片机和传感器的LED智能照明控制系统

发表于 2013-05-07 11:44:28

  摘要: 介绍了一种LED 智能照明控制系统的设计,给出了系统的软硬件设计和控制流程。该系统采用STC12C5A60S2 作为主控器,利用热释红外传感器检测人体辐射的微量红外线,光敏电阻检测环境亮度,采用DS18B20 检测LED的温度,LED驱动采用PWM 调光技术。

  0 引言

  我国是一个资源紧缺的国家,但在日常的生活中,人们并没有意识到这一点。以室内照明为例,在很多公共场合中都采用手动开关,经常出现没有及时关灯的现象,从而造成能源的浪费,也会缩短灯具的使用寿命。针对这一现象,有必要研究一种智能照明控制系统。该系统利用智能传感器感应室外亮度来自动调节灯光,以保持室内恒定照度,既能使室内有最佳照明环境,又能达到节能的效果。

  LED 被称为第四代绿色光源,LED 的发光器件是冷光源,具有节能、环保、寿命长、体积小等特点。LED 光的单色性好,光谱窄,无需过滤,可直接发出有色可见光。在相同的照明情况下,LED 灯耗电量为白炽灯的十分之一,荧光灯的二分之一,是未来照明的发展趋势。

  1 智能控制方案设计

  系统采用光敏电阻检测环境亮度,热释红外传感器检测人体辐射的微量红外线,温度检测模块检测LED 的温度,传感器检测到的信号经过预处理传给单片机,经单片机处理后控制LED 灯的开关和亮度。系统框图如图1 所示。

  智能控制方案设计

  2 硬件设计

  2. 1 热释电红外探测模块

  热释电红外探测模块不需要配置红外线发射源,能直接接受人体辐射的微量红外线,将其转变为相应的电信号输出。为了提高PIR 传感器感受红外线的灵敏度,在传感器前加装配套的菲涅耳透镜。

  热释电红外探测模块由菲涅耳透镜、热释电红外传感器( PIR) 、控制电路及驱动电路等组成。热释电红外探测模块框图如图2 所示。

  热释电红外探测模块框图如图2 所示

  人体都有恒定的体温,一般在37 ℃,会发出特定波长10 μm 左右的红外线。人体辐射的红外光线经过菲涅耳透镜汇集在PIR 的2 块探测元上,当人体移动时,红外辐射强度发生变化,探测元表面的电荷强度发生变化,经内部场效应管放大就有信号输出。

  热释电红外探测模块采用热释电专用控制集成电路来处理,这里采用BISS0001 型集成电路。

  BISS0001 型集成电路内置独立的高输入阻抗运算放大器,可以与多种传感器匹配,进行红外信号预处理。芯片内含有电压比较器、状态控制器、延迟电路定时器、封锁时间定时器以及基准参考电压源等单元电路。电路如图3 所示。

  热释电红外探测模块

  2. 2 环境亮度检测模块

  光敏电阻是利用半导体光电导效应制成的一种特殊电阻器,对光线十分敏感,这里用它来检测环境亮度。它的电阻值能随着外界光照强弱的变化而变化。它在无光照射时,呈高阻状态; 当有光照射时,其电阻值迅速减小。

  图3 中的R6为光敏电阻,若环境较明亮,R6的电阻值会降低,使9 脚的输入保持为低电平,从而封锁触发信号VCC.SW1 是工作方式选择开关,当SW1 与3 端连通时,芯片处于可重复触发工作方式; 当SW1 与1 端连通时,芯片则处于不可重复触发工作方式。

  2. 3 温度检测模块

  该测温模块采用单线数字温度传感器DS18B20,它具有独特的单总线接口方式,支持多节点,测温时无需任何外围元件,它和单片机的接口只需一根信号线,具有超低功耗工作方式。它的测温范围为- 55 ~ + 125 ℃,精度为0. 5 ℃,而且不需要放大器和A/D 转换器。所以DS18B20 的外围电路简单,图4 是该系统的测温模块的电路原理图。

  DS18B20 测温系统编程实现相对比较容易,首先对DS18B20 进行初始化,接着依次发跳过ROM命令和温度转换,启动DS18B20 进行转换。然后再重新对DS18B20 进行初始化并发匹配ROM命令。最后,对DS18B20 进行读数。

  图4 是该系统的测温模块的电路原理图

  2. 4 单片机控制模块

  STC12C5A60S2 是宏晶科技公司生产的一款高速、低功耗和超强抗干扰的新一代8051 单片机,它的指令系统完全兼容传统的8051,但是速度要快8~ 12 倍。它设有2 路PWM,8 路高速A/D 转换,使得外围电路大大简化,系统的成本大大降低。

  2. 5 LED 驱动模块

  系统采用PT4115 驱动LED.PT4115 芯片外围电路简单,输出电压范围很宽,从8 ~ 30 V,最大输出电流1. 2 A,复用引脚DIM 可以进行LED 开关、模拟调光、PWM 调光。驱动该电路如图5 所示。

  驱动该电路如图5 所示

  PT4115 采用PWM 调光,当DIM 引脚电压低于0. 3 V 时关断LED 电流,高于2. 5 V 时开启LED 电流。PWM 调光的基本原理是保持LED 正向导通电流恒定,而通过控制电流导通和关断的时间比例,即控制每个周期电流导通的时间。计算方法如下:

  电流导通的时间计算方法

  通过PWM 调光,LED 的输出电流可以从0%到100%变化。PWM 调光相对于传统的线性调光,不影响LED 的光效。PWM 调光的优势是LED 正向导通的电流一直是恒定的,LED 的色度就不会像模拟调光那样会变化。PWM 调光可以在精确控制LED的亮度的同时,也保证LED 发光的色度。

  3 软件设计

  该系统有3 个功能模块: 1) 信号输入模块,实现相应信号向单片机输入; 2) 信号控制模块,实现对信号的处理; 3) 信号输出模块,实现处理结果的编码输出,达到控制LED 发光亮度的目的。单片机接收3 部分信号,即被动式热释电红外探测器输出的开关信号,可见光探测输出的室内亮度控制信号和温度传感器探测到的LED 温度信号,将这些信号传输到单片机中。通过单片机处理,从而驱动LED 的开关并控制亮度。软件流程如图6 所示。

  软件流程如图6 所示

  4 结语

  经过实验验证,该文设计的LED 智能照明控制系统,可根据室内光照亮度自动控制LED 的开关和亮度,取得了很好的节能和改善照明环境的效果。该系统结构简单,实用性强,可适用于公寓、办公室的楼道灯,卫生间的照明灯等。

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